Новий прорив у технології ультракороткого лазерного імпульсу

Лазери стають невід’ємною частиною незліченних пристроїв і галузей. Коли лазерний промінь взаємодіє з поверхнею нанорозмірного матеріалу, він випромінює хвилю світла, яка називається «плазмоном» (плазмовий екситон), і властивості даного плазмового екситона можуть передавати інформацію. При оптичній передачі лазер перекачує світло в компонент, який називається «насичуваним поглиначем», щоб створити оптичний сигнал.
Нещодавно Юй Яо, доцент кафедри електротехніки в Університеті штату Арізона, та її дослідницька група в Центрі фотоніки штату Арізона розробили швидший, більш енергоефективний нанорозмірний лазерний елемент під назвою гібридний графен-плазмовий метаструктурований насичений поглинач, або GPSMA.
GPSMA має потенційне застосування в таких галузях, як зв’язок, обробка інформації, спектроскопія та біомедицина. Поглинач можна використовувати для покращення швидкості, ефективності та загальної продуктивності для вдосконалення технологій передачі даних, обробки інформації, біомедичного зондування та зображень.
Завдяки його корисним властивостям щодо оптичної модуляції та насичуваного поглинання команда Ю Яо включила штучно створений гібрид металу та графену у свою розробку.
У нещодавній статті, опублікованій у науковому журналі ACS Nano, Яо докладно описує, як її лабораторія інтегрувала насичений поглинач на основі графену та як їм вдалося вдосконалити пристрій, щоб зменшити енергоспоживання, зберігаючи надшвидкий час відгуку.
Вони отримали ці важливі результати, розробивши оптичну антенну решітку, яка фокусує світло на нанорозмірні проміжки в матеріалі, відомі як гарячі точки, для сприяння поглинанню. Сфокусувавши лазер на цих гарячих точках, вони спостерігали покращення продуктивності та зниження споживання енергії.
«Графен легкий і має швидкий час оптичної реакції, але має низьке поглинання в моношаровій формі, — сказав Ю Яо. — Ми розробили пристрій таким чином, щоб поглинання світла в нанорозмірних гарячих точках можна було збільшити більш ніж на три порядки, виробляючи не тільки сильне поглинання світла, а також ефект поглинання насиченості. З GPSMA ми створюємо пристрій поглинання насиченого світла, який фактично може зменшити споживання електроенергії майже на два-три порядки».
Завдяки значно збільшеній швидкості їхня нова технологія відкриє нові можливості для інфрачервоної лазерної спектроскопії та високошвидкісного оптичного сигналу (волоконно-оптичний кабель і супутниковий зв’язок).
«Наш пристрій може працювати на рекордно високих швидкостях, — сказав Юй Яо. — Звичайні поглиначі, що насичуються, можуть працювати в наносекундному масштабі часу, але тепер ми можемо досягти приблизно 60 фемтосекунд, що більш ніж у 100000 разів швидше, ніж раніше. "
Наразі GPSMA працює на довжинах хвиль, близьких до інфрачервоного діапазону електромагнітного спектру. Оскільки графен має широку оптичну реакцію, він може розширити своє спектральне покриття до більших довжин хвиль в інфрачервоній спектральній області, що має важливі наслідки для молекулярної спектроскопії та оптичного зв’язку. Однак для більших довжин хвиль традиційно важче досягти насиченого поглинання та генерувати ультракороткі лазерні імпульси. Таким чином, концепція дизайну GPSMA може заповнити таку технологічну прогалину.
Пристрій команди Юй Яо має потенційне застосування в телекомунікаційній, енергетичній та біомедичній галузях. Такі поглиначі можуть бути використані для підвищення швидкості, ефективності та загальної продуктивності волоконно-оптичних кабелів, відкриваючи можливості для вдосконалення передачі даних, продуктивності сонячних батарей і технологій зображення виявлення захворювань.